Ein mikrobieller Sensor, der dabei hilft, bakterielle Infektionen zu erkennen und zu bekämpfen, spielt auch eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Blutstammzellen und liefert wertvolle neue Erkenntnisse bei den Bemühungen, patienteneigene Blutstammzellen zu schaffen, die Knochenmarktransplantationen überflüssig machen könnten.
Die Entdeckung eines Forschungsteams unter der Leitung von Raquel Espin Palazon, einer Assistenzprofessorin für Genetik, Entwicklung und Zellbiologie an der Iowa State University, wurde in veröffentlicht Naturkommunikation. Es baut auf früheren Arbeiten von Espin Palazon auf und zeigt, dass die Entzündungssignale, die die Immunantwort eines Körpers auslösen, in den frühesten Stadien des Lebens eine völlig andere Rolle spielen, wenn sich in Embryonen Gefäßsysteme und Blut bilden.
Espin Palazon sagte, dass das Wissen, dass Embryonen den mikrobiellen Sensor, ein Protein namens Nod1, aktivieren, um vaskuläre Endothelzellen dazu zu zwingen, Blutstammzellen zu werden, bei der Entwicklung einer Methode zur Herstellung von Blutstammzellen in einem Labor aus dem eigenen Blut eines Patienten helfen könnte.
„Dadurch würde die anspruchsvolle Aufgabe, kompatible Spender für Knochenmarkstransplantationen zu finden, und die Komplikationen, die nach einer Transplantation auftreten, entfallen, was das Leben vieler Leukämie-, Lymphom- und Anämiepatienten verbessern würde“, sagte sie.
Ein kritischer Hinweis
Stammzellen sind sowohl die Fabriken als auch die Rohstoffe eines Körpers und teilen sich wiederholt, um sich selbst zu erneuern und neue Zellen für bestimmte Gewebe zu bilden. Pluripotente Stammzellen in Embryonen können jede Art von Zelle erzeugen, die ein Körper benötigt, während adulte Stammzellen darauf beschränkt sind, bestimmte Arten zu produzieren. Blutstammzellen oder hämatopoetische Stammzellen bilden alle Bestandteile des Blutes. Vor der Geburt im Embryo wird ein lebenslanger Vorrat an Blutstammzellen angelegt.
Das von Espin Palazons Team identifizierte Immunrezeptor wird in einem Embryo aktiviert, bevor Endothelzellen beginnen, Stammzellen zu werden, und bereitet sie so auf den Übergang vor.
„Wir wissen, dass Blutstammzellen aus Endothelzellen entstehen, aber die Faktoren, die die Zelle dazu veranlassen, ihre Identität zu wechseln, waren rätselhaft“, sagte sie. „Wir wussten nicht, dass dieser Rezeptor benötigt wird oder dass er so früh benötigt wird, bevor sich Blutstammzellen überhaupt bilden.“
Die Forscher konzentrierten sich auf Nod1, indem sie öffentliche Datenbanken menschlicher Embryonen analysierten und es anhand von Zebrafischen untersuchten, die etwa 70 % ihres Genoms mit Menschen teilen. Die Bildung von Blutstammzellen war eng mit den Nod1-Spiegeln verknüpft, da ihre Wirkung gehemmt oder verstärkt wurde.
Um zu bestätigen, dass Nod1 auch eine Rolle bei der Entwicklung des menschlichen Blutes spielt, arbeitete das Forschungsteam mit dem Children’s Hospital of Philadelphia zusammen. Forscher dort produzieren vom Menschen induzierte pluripotente Stammzellen, die aus reifen Proben erzeugt, aber genetisch umprogrammiert werden, um sich wie die in Embryonen vorkommenden Stammzellen zu verhalten, die alles herstellen können.
Induzierte pluripotente Stammzellen können die meisten Arten von Blutzellen erzeugen, jedoch keine funktionsfähigen Blutstammzellen. Doch als die Forscher Nod1 entfernten, geriet die Blutproduktion ins Stocken, wie es auch bei den Blutstammzellen im Zebrafisch der Fall war.
Auf der Suche nach selbst gewonnenen Stammzellen
Die Entdeckung, dass Nod1 eine Voraussetzung für die Entwicklung von Blutstammzellen ist, ist ein Fortschritt für Wissenschaftler, die hoffen, ein System zur Herstellung von Blutstammzellen aus menschlichen Proben zu entwickeln, das eine revolutionäre neue Option für Patienten mit Bluterkrankungen bieten könnte. Anstelle einer lebensrettenden Infusion von Blutstammzellen über eine Transplantation von Knochenmark, den schwammigen Innenseiten der Knochen, die die meisten Blutstammzellen eines Körpers enthalten, könnten Patienten mit Stammzellen behandelt werden, die aus ihrem eigenen Körper stammen.
Selbst gewonnene Stammzellen könnten das Risiko einer Transplantat-gegen-Wirt-Krankheit vermeiden, einer häufigen und möglicherweise tödlichen Reaktion, die auftritt, wenn das Immunsystem eines Patienten das Transplantat als Bedrohung für einen Angriff wahrnimmt.
„Dies wäre ein enormer Fortschritt für die regenerative Medizin“, sagte Espin Palazon.
Das Team von Espin Palazon ist weiterhin damit beschäftigt, die komplexen Wechselwirkungen zu entschlüsseln, in denen Blutstammzellen entstehen, und verfeinert dabei auch den zeitlichen Ablauf. Für die Entwicklung von Methoden zur Herstellung von Blutstammzellen ist es wichtig zu verstehen, wann Signale ausgedrückt werden.
„Das Timing ist so entscheidend. Es ist wie beim Kochen, und man muss die Zutaten in einer bestimmten Reihenfolge hinzufügen“, sagte sie.
Weitere Forschung wird von der Zusammenarbeit mit dem Children’s Hospital of Philadelphia profitieren, das einen der Co-Autoren der Studie – Clyde Campbell, außerordentlicher Assistenzprofessor für Genetik, Entwicklung und Zellbiologie – in den Protokollen zur Erzeugung induzierter pluripotenter Stammzellen geschult hat.
„Meine Gruppe an der Iowa State University wird weiterhin an einem Leben ohne Blutkrankheiten arbeiten. Ich glaube, dass unsere Untersuchungen den Weg ebnen werden, um endlich Blutstammzellen in therapeutischer Qualität zu schaffen, um Patienten mit Blutkrankheiten zu heilen“, sagte Espin Palazon.
Mehr Informationen:
Xiaoyi Cheng et al., Nod1-abhängige NF-kB-Aktivierung initiiert die Spezifikation hämatopoetischer Stammzellen als Reaktion auf kleine Rho-GTPasen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43349-1